（电机与电器专业论文）开关磁阻电机驱动系统的一体化研究与实践.pdf

华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e s ( s r d ) i sa na d v a n c e dm e c h a t m n i cd e v i c ew i t ha9 0 0 df u t u r ea n di t s p r o v i d e do n eo f t h em o s te x c e l l e n te f f i c i e n c yw i t hn o n e x h a u s te l e c t r i c a lv e h i c l e ( f d f o r o p t i m i z i n gt h e d e s i g na n di m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fs r d ，i t se s s e n t i a lt oc o n s i d e rs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) ，c o n v e r t e ra n dc o n t r o l l e ra sac o m p l e t eu n i t ，b e c a u s et h es y s t e mp e r f o r m a n c ed e p e n do nt h e c o o r d i n a t i o no fa l lc o m p o n e n t st oag r e a te x t e n t t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt ot h et h e o r ya n d a p p l i c a t i o n sc e n t e r i n go nt h ei n t e g r a t i v es t u d ya n dp r a c t i c ea b o u ts r d b a s e do i la no v e r a l lr e v i e wo f r e l a t e dp a p e r s f i r s t ，a t t e n t i o ni sp a i dt oe s t a b l i s ha d i r e c tm o d e lf o rs r db yc o u p l e df i e l d - c i r c u i t ，t h e r e f o r ea n e q u i v a l e n tc i r c u i t ( v o l t a g es o u r c e ) o fc o n v e r t e ra n da s w i t c hf u n c t i o nt or e f l e c tt h ee f f e c to fc o n t r o l p a r a m e t e r sa l ei n t r o d u c e d t h es i m u l t a n e o u se q u a t i o n so ft h es r mt w o 1 6 0 1 4 4 ( 高速) 电机型式异步永碰同步无刷直流无刷直流开关磁阻 额定功率( m 7 ) 1 0 24 1 2 2 7 52 电压( v ) 3 也2 8 b2 4 12 6 42 1 8 角甜：转矩( n m ) 1 2 8 电池类型铅酸镍氢铅酸铅酸 p t 饼 综上所述，面对2 l 世纪的绿色革命和可持续发展的全球战略，大力发展电动汽车是科技进 步和社会发展的必然趋势。伴随着电动汽车的兴起，各种电动汽车用电机驱动系统的研制也日 趋活跃。s r d 系统作为电动汽车用电机驱动系统的优选方案之一，也理所当然地成为当前驱动 系统研制的一个焦点和热点。 然而，s p , d 系统作为一种新型机电一体化驱动系统，与传统电机驱动系统有很大不同。双 凸极结构的s r 电机必须结台功率变换器、控制器以及位置检测器才能稳定、可靠、高效地运行， 因此，必须将s r d 系统各组成部分作为一个整体，进行一体化研究与实践。以往的研究虽然也 意识到了一体化研究和实践的重要性，但由于没有既准确又实用的可i 奠描述系统整体结构的数 学模型，只能将各组成部分割裂开来，单独研究，致使诸如相间耦合等普遍存在的问题至今未 得到完全解决。为此，本文以s r d 系统的一体化研究与实践为研究目的，建立一个能够全面描 述系统各组成部分以及相互间关系的s r d 系统场路直接耦合数学模型，同时解决系统建模中的 一些关键技术问题，并在此模型基础上，对s r d 系统多相运行进行研究，重点研究相间耦合效 应，填补有关s r d 系统多相运行研究的空白。在进行理论研究的同时，进行新型s r d 系统的研 制与实验，通过实验验证理论分析的正确性。对s r d 系统的一体化研究与实践，不仅可以使有 关s r d 系统的理论研究更加深入、全面，而且研究成果可以直接用于指导生产实践，因此，本 课题的研究对进一步提高s r d 系统技术水平具有重要的理论和实际意义。 1 2s r d 系统的发展简介 最早有记录的s r d 系统可以追溯到1 9 世纪4 0 年代。1 8 4 2 年，英国科学家w h e a t s t o n e 和d a v i d s o n 等人发明创造了由蓄电池供电的机车驱动用电动机 j i ，但由于无法解决换相问题，电机性能很 差。现代s r d 系统的创始人无可争议地应归属于以英国科学家l a w r e n s o npj 教授为首的，由英 m l e e d s 大学和n o t i n g h a m 大学在7 0 年代联合成立的开发电动汽车用电机及其驱动系统的攻关小 组。1 9 8 0 年，在经过了近十年的理论研究和产品开发基础上i , l l s l l 6 1 ，l a w r e n s o npj 教授等人发表 了著名的科学论文“v a n a b l e s p e e d s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r s ”。文中详尽地介绍了他们称之 为开关磁阻电机的这种新型电机的工作原理，设计方法，控制方案以及己研制成功的一系列样 机的实验结果1 7 1 。他们创造性地提出了融电力电子技术与现代电机设计于一体的设计观点，彻 - 3 - 华中理工大学博士学位论文 底地解决了早期双凸极结构磁阻电机无法解决的换相问题，并使得新型磁阻电机的单位出力可 以与交流异步电机相媲美甚至还略占优势，因此这种新型电机一经提出，就得到了国际上的广 泛认可。开关磁阻电机驱动系统也成为这种新型电子换向变磁阻电机驱动系统的正式名称。 s r d 系统的提出不仅具有重大学术价值，而且具有广阔的市场前景。为了早日实现s r d 系 统的商品化，l a w l g n s o npj 教授又组织成立了开关磁阻电机驱动系统有限公司( s r dl t d ) ， 专门从事s r d 系统的开发和研制等工作，并积极向有关厂家进行技术转让。1 9 8 3 年，s r dl t d 推 出了最大功率达4 5 k w 的s r d 系列产品( o u l t o n ) ，经他们授权从事s r d 系统研制工作的英国 t a s c 驱动公司也推出了功率范围为4 k w - 8 0 k w 的工业用防爆s r d 系统。此后，英国其它科研单 位也相继推出t s r d 系列产品以及相应的计算机辅助设计软件p c s r d t w ，从而使英国在s r d 系 统的研究领域走在世界前列1 9 1 州“h “。 s i l d 系统的优良性能同样也吸引了世界其它国家众多学者和厂家的关注和投入。在美国， h p 公司推出了采用专用i c 控制的用于绘图仪的s r d 伺服系统，g e 公司则成功研制了用于空 间技术的s r d 系统( 1 2 0 h p ，2 5 0 0 0 r r a i n ) i 圳和用于空气涡轮机的s r d 启动，发电机旧。加拿大， 南斯拉夫在s r 电机的运行理论，电磁场的分析计算等理论方面进行了很多研究嗍1 1 1 。埃及则对 小功率的单相、二相s r 电机的结构、起动等方面进行了研究1 j l 1 9 1 1 7 , 0 1 。此外，亚洲的新加坡o q 闭嘲， 日本i ? + 4 1 ，以及土耳其罔等国也都先后开展了对s r d 系统的研究和试制。 国内众多研究机构自1 9 8 + + 年以来，先后开展了s r 电机的研究工作，国家也将s r d 系统的研 制工作列入中小型电机“七五”科研规划项目。经过十多年的不间断研究，在s r d 系统的设计 理论、性能计算、系统分析、推广应用和产品开发等方面都取得了大量科研成果i ”1 。1 9 9 3 年， 在北京召开的s r d 系统工业应用研讨会上展示了很多应用实例，如太原第一机床厂在b q 2 0 1 0 0 a 轻便龙门刨床上采用1 5 k w s r d 系统取代了机械机构复杂且使用维护比较麻烦的电磁离合器传动 和价格昂贵的s c r d 传动系统，提高了刨床生产效率：北京第三棉纺厂采用s r d 系统对泽尔浆 纱机主传动进行改造，其调速范围超过了德国整流子电机。中国纺织总会纺织机电研究所研制 开发的k c 系y u s r d 系统，功率等级有i 1 3 0 k w 共1 0 种规格，具有比交流变频调速更高的效率， 实现了调速电机比不调速电机效率更高的节能效果，并在涤纶抽丝机，可逆轧机、高速平缝机 以及造纸机等多种不同应用场合得到成功应用。 迄今为止，s r d 系统的发展历程仅有短短的二十余年，但它却取得了令人瞩目的成绩其 产品已在电动车用驱动系统，家用电器，工业应用，伺服系统，高速驱动等众多领域得到成功 应用，其功率范围也覆盖了从l o w ( 1 0 0 0 0 r r a i n ) 多j s m w ( 5 0 r m i n ) 的宽广范围，可以说，目 前已很难找虱 s r d 系统不能应用的调速场合叫。然而，作为现代调速系统一支不可忽视的竞争 力量，s r d 系统在各个领域，特别是在工业领域中的应用，仍不如直流电机驱动系统和感应电 机驱动系统，这一方面来源于人们对传统电机驱动系统的认可远超过了对s r d 系统的认可，而 这种认识上的偏见极大地影响了对s r d 系统研究的投入以及和其它驱动系统平等竞争的机会， 另一方面，s r d 系统的研究不够深入，理论不够成熟，性能不够完善，也在一定程度上减缓了 它的快速发展。因此，随着科学技术的不断进步，各类驱动系统的日臻完善，s r d 系统最终能 否在激烈的市场竞争中取得一席之地，还有待众多学者和生产厂家的共同努力和实践考验。 4 华中理工大学博士学位论文 1 3s r d 系统研究概况 s r d 系统作为一种机电能量转换装置，与传统电机驱动系统一样遵循基本电磁定律和机电 能量转换定理，但由于s r 电机的双凸极结构，以及非线性开关电源供电等特点，使得s r d 系统 的设计与运行，都与传统电机驱动系统明显不同。由于绕组电感是转子位置和相电流的非线性 函数，s r d 系统总是运行在一个绕组电感变化的瞬变过程，丽没有一个真正的“稳态运行”。 所谓的“稳态运行”实质上是周期性地从一个暂态到另一个暂态的切换，在连续的切换过程中， 电机的结构设计、内部的磁场分布、铁心各部分的饱和程度、所采用的控制策略以及功率变换 器的拓扑结构都对整个系统的性能具有重大影响，因此，s r d 系统貌似简单，实际上却是一个 非线性、多变量、变结构的复杂系统，不借助现代数值计算技术，电力电子技术和数字控制技 术以及计算机辅助设计是很难对s r d 系统进行分析和研究的。对s r d 系统的研究不仅仅局限于 对其内部各种复杂电磁关系的研究，各类高新技术在s r d 系统中的应用也是对其研究的一个重 要组成，两者相辅相成，既是当前s r d 系统研究的一个重要特点，也是s r d 系统研究和发展的 必然趋势。下面，本文就当前有关s r d 系统研究的几个主要方向进行综述。 1 3 1s r 电机设计与性能分析 s r d 系统运行时，由于s r 电机的双凸极结构，不仅会出现定、转子极完全相对时的全局饱 和，而且会出现定、转子极刚刚交叠或局部交叠时的局部饱和，也就是说，s r 电机的磁路饱和 既与绕组激磁有关，也与定、转子相对位置有关。因此，进行s r 电机设计必须采用有限元等数 值计算方法，不能简单地套用传统的磁路法。 从8 0 年代初，数值计算方法首先在s r 电机的静态特性计算中得到应用。1 9 7 9 年，c o r d aj , n s t e p h n s o njm 在推导s r 电机的展大、最小电感的解析解时，首次采用二维数值计算对s r 电机 的最小电感进行了计算1 4 1 。1 9 8 0 年，s i m k i nj 和t r o w b r i d g ccw 又分别用二维和三维有限元法对 s r 电机的最大电感和最小电感进行了计算，并将计算结果和实测结果进行了比较l a 5 l 。1 9 8 5 年， a r u m u g a mr 等人应用= 维有限元法分别对一台三相( 6 4 ) s r 电机和一台定子极上多齿的s r 电 机进行了分析，较准确地计算出了s r 电机在各个转子位置下的磁场分布i 垌【1 7 l 。随后，d a w s o n g e 等人又采用二维有限元法结合虚功原理对7 5 k wo u l t o ns r 电机的转矩进行了计算，与测量结 果比较，表明采用有限元法可以较准确地预n s r 电机的静态转矩一转角特性闭。1 9 9 1 年，蒋权 博士又采用有限元法，对不同转子齿极形状以及不同定子绕组连接方式的s r 电机静态特性进行 了分析嗍。 s r 电机的稳态性能计算是设计和分析s r 电机的一个重要环节。1 9 7 9 年，s t e p h e n s e njm 和 c o r d aj 提出了至今仍广泛使用的非线性磁参数法 s l 。该方法将实验测量的s r 电机磁化曲线簇 叩0 ，e ) 反演出以表格形式表示i ，0 ) 来表示电机磁特性，采用龙格一库塔法赢接求解以绕组磁链 为变量的微分方程，具有较高的精度，是当前进行s r 电机稳态性能计算的一种重要方法。由于 电机未制造出来之前，不可能通过实验测量得至i j s r 电机的磁化曲线簇，因此，采用二维有限元 法计算s r 电机的磁化曲线簇进而对s r 电机稳态性能进行分析和计算就成了s r d 系统研究的一个 重点1 3 6 1 1 3 7 1 1 3 a l ”】。为了获得完整的s r 电机磁化曲线簇，就要对不同的位置进行有限元计算，这无 - 5 - 华中理工大学博士学位论文 疑增加了有限元前处理的计算工作量，边敦新等人对转子剖分数据进行旋转，再通过气隙连接 定、转子剖分网格，较好地解决了这一问题1 4 0 ) 。针对s r 电机中严重的局部饱和现象，j a c kag 等人采用自适应剖分取得了较好效果1 4 】i 。对通过有限元法计算得到的s r 电机磁化曲线簇的后处 理也至关重要，为此，p u l l e d wj 提出了建立样条函数系数数据库计算s r 电机稳态性能i 啦】。 当需要考虑s r 电机中诸如铁磁材料的各向异性，绕组端部磁通以及铁心边缘磁通等三维效 应时，必须采用三维有限元法进行计算和分析。1 9 9 2 年，w i l l i a m s o ns u s h a i k haa 用三维有限 元法计算t s r 电机在三个不同转子位置时的磁化曲线，与实测结果和二维有限元法计算结果的 比较表明，二维有限元法计算结果不仅存在较大误差，而且不同的转子位置存在不同的误差，也 就是说s r 电机端部电感不是一个常数，它随着转子运动在不断变化。1 9 9 4 年，m i c h a e l i d e s a 和 p o l l o c kc 也采用三维有限元法对s r 电机的三维效应进行了研究，计算结果进一步证实了 w i l l i a m s o ns 等人的计算结果，同时他们还建立了一张修正表，当需要考虑端部效应时，就通过 查表对二维有限元法计算结果进行修正m 嗍。不过，即使是在当前计算机技术飞速发展阶段， 三维有限元法也仍然难以像= 维有限元法那样真正方便、快速地用于电机电磁场的分析和计算。 因此，对s r d 系统的参数计算和性能分析仍只能在广泛采用二维有限元法的基础上等待三维有 限元法的技术突破。 有限元法除了用于分析和计算s r 电机的电磁特性外，近年来随着对s r 电机扳动和噪声的深 入研究，采用有限元法求解s r 电机的振动方程也成为有限元法在s r d 系统领域的一个重要应用、 4 1 1 4 7 1 ，此外，采用有限元法进行s r 电机温升计算也有报道阍。 无论是采用二维有限元还是三维有限元，以及其他诸如边界元等数值计算方法，目前对s r d 系统的研究和分析都基于单相通电情况，以及各相相电流已知的多相通电情况。实际的s r d 系 统不仅更多地运行在多相通电情况，而且各相电流并不可知，因此，必须将s r 电机与功率变换 器等其他组成部分结合，采用场路耦台法进行一体化研究与分析。采用场路耦合法不仅可以计 算s r d 系统稳态性能i “1 1 5 ”，而且可以仿真s r d 系统的瞬变过程1 5 1 i 和故障运行【5 2 i 。不过，由于解 耦问题尚未得到很好解决，目前场路耦合法仍只能用于单相通电，用于s r d 系统多相运行的研 究尚未有报道。 1 3 2s r d 系统控制技术 一般直流电机驱动系统和采用正弦交流激励的交流电机驱动系统的控制量是平均转矩，而 不是瞬时转矩，因为它们的瞬时转矩从理论上讲在稳态时是常数，难以从平均转矩中区别出来。 s r 电机采用脉冲电流激励，它的瞬时转矩在一个激励周期随着转子位置和激励电流的变化而变 化，与平均转矩不同。因此，s r 屯机的转矩控制分平均转矩控制和瞬时转矩控制两种。s r 电机 平均转矩控制通过控制相电流幅值、开通角、关断角等变量实现。由于同一个稳态工作点可以 通过不同的控制参数组合实现，因此，s r 电机平均转矩控制的主要任务是根据不同的性能指标 对各控制参数进行优化，如依据系统效率最优# 目嘲哪，转矩脉动最小1 5 8 i 删等目标函数进行优化 6 0 i “】。由于实际系统参数总存在一定的变化和漂移，采用优化了的控制参数用于实际控制时仍 存在一定偏差为此在采用优化参数的同时，还要根据实际运行情况进行在线调整，如开通角 6 华中理工大学博士学位论文 随着转速和负载线性改变1 6 2 1 ，采用f u z z y p i 复合控制删以及自动跟踪调节1 5 4 1 1 6 4 1 等。 由于瞬时转矩控制原则上具有最快的响应和最有效的转矩脉动消除，因此，s r 电机瞬时转 矩控制的研究对提高s r d 系统动态性能具有重要意义。1 9 8 6 年，i l i c - s p o n gm 等人首次对通过控 制瞬时相电流和绕组磁链产生恒定瞬时转矩进行了研究，从理论上证明t s r 电机瞬时转矩控制 的可行性嘲。然而，这种通过绕组磁链估算器构成s r d 系统电流闭环控制技术涉及到相电流的 实时检测和处理，这在微处理器发展初期是无法实现的，随着大规模集成电路和高速数字信号 处理器( d s p ) 等在技术上的不断突破，以及诸如线性回馈控制嗣p 1 ，滑模变结构控制嗍，自 适应控制嘲阳，模糊控制以及人工神经网络控制州旧等各种非线性控制理论最近几十年的长足 进步，s r 电机的瞬时转矩控制目前又成为一个热点【7 3 】。但是，科学技术的发展虽然为s r 电机瞬 时转矩控制提供了坚实的物质基础，但s r 电机复杂的电磁关系，仍使得建立精确的绕组磁链观 测器在理论和实践上都存在困难，需要进行大量的研究工作。 s r d 系统控制技术的另一个研究重点是s r 电机位置检测技术。由位置检测器提供的转子位 置信息是用于控n s r 电机各相绕组导通的时序和时间，以使s r 电机产生持续不断的转矩，而不 是用于s r 电机转子位置控制，因此准确地说，s r d 系统并不是一个位置闭环控制系统，面是一 个他控式同步电机驱动系统。目前普遍采用的位置检测方案是直接在s r 电机轴上安装诸如光电 式、磁敏式以及编码器等轴位置检测器踟。安装轴位置检测器虽然简单易行，但轴位置检测器 的存在，不仅增加了系统体积和成本，而且降低了系统运行的可靠性，消弱了s r 电机结构简单 的竞争优势。与采用轴位置检测器的s r 电机转子位置检测方案相反的是无位置检测器的转子位 置检测方案。无位置检测器的转子位置检测方案分为两种，一种是间接式，它是在s r 电机中增 设探测线圈或探测极板，并使探测线圈的电感或探测极板的电容随转子位置的变化而变化，然 后通过测量电感或电容来获得转子位置信息，这种位置检测方案虽然消除了轴位置检测器，但 仍存在结构复杂，可靠性低的缺点p 。u l t s 。另一种则是直接测量相电流或相绕组的电磁参数来获 得转子位置信息。如检测电流波形i z 2 ) l z a l ，测量非导通相绕组的自感或互感r l b l 以及采用状态观测 器计算转子位置1 7 7 1 ，但由于涉及复杂的软、硬件设计，目前尚未完全实用化。 1 3 3 振动和噪声的研究 s r d 系统的振动和噪声几乎和它的优越性能一样，从s r d 系统在8 0 年代一面世就受到了人 们的关注，尤其是早期的部分产品和样机所产生的振动和噪声，使人们在相当长的一段时间里 都认为显著的振动和噪声是s k i ) 系统的不治之症，然而，作为一个新生事物，s r d 系统的方方 面面都需要研究和关注，因此有关s r d 系统的早期文献大都集中在对s r d 系统的设计以及性能 分析等方面，对s r d 系统的振动和噪声的研究直到9 0 年代初才真正开始。 1 9 9 2 年，c a m e r o nde 等人首次对s r d 系统的振动和噪声进行了系统的研究1 7 s l 。他们首先假 定了一系列可能引起s r d 系统的振动和噪声的有关因素，然后通过精心设计的实验对每种可能 引起振动和噪声的因素进行单独测试，最后得出由于s r 电机的定子与转子问的径向磁拉力而导 致的定子径向形变是s r 电机振动和噪声的主要来源，而且当定子径向形变频率与定子固有频率 接近一致时，会导致非常严重的振动和噪声。鉴于c a m e r o nde 等人基于频域的研究无法清楚地 - 7 一 华中理工大学博士学位论文 表明相电流和加在绕组上的电压与s r d 系统的振动和噪声的关系，w ucy 等人又基于时域对 s r d 系统的振动和噪声进行了研究 w l 。研究结果表明，在每相绕组换相点，加在绕组上的电压 的变化率越大，所激发的振动和噪声就越大，由于通常s r d 系统换相时，都是直接由正电压回 路进入负电压回路，从而引起较大的电压变化率，所以他们提出了所谓的“两步抉相法”，即 每次换相时，先由正电压回路进入零电压回路，经过半个定子固有频率对应的周期后，再进入 负电压回路，由于两次换相所激发的振动在相位上相差半个周期，正好相互抵消，同时由于每 次电压变化率仅为原来“一步换相法”的一半，故所激发的振动幅值也减小了许多，从而达到 非常好的减振和噪声消除效果。为了将这种技术推广到采用诸如分裂式电源型的s r d 系统，他 们又提出了所谓的“三步换相法”，也取得了较好的效果i s 0 。此外，上述有关s r d 系统噪声研 究都表明了s r 电机定子固有频率对减小和消除s r d 系统的振动和噪声的重要性，为了快速准确 地计算出定子固有频率，避免共振现象发生，c o l b yr s 等人提出了s r 电机固有频率的计算公式， 其计算结果与有限元计算结果以及实验结果都非常接近，并对低噪声s r 电机的设计方法进行了 讨论 4 6 。中国学者在对s r d 系统的振动和噪声的研究中也作出了突出贡献，提出了多种降低s r d 系统的振动和噪声的有效方法叫 s z l l ”i 。 尽管已有的若干降低s r d 系统的振动和噪声的技术都获得了显著效果，但由于实验都在特 定的样机上进行，结论具有一定的局限性，而且实现起来难度较大，难以推广和实用化，此外， 目前的研究重点大都放在对s r 电机控制方面，在s r 电机设计方面却较少投入。实际上，通过对 s r 电机结构的优化设计以及各电磁参数的合理选择，是能够设计出低噪声s r 电机的。尽管尚未 见到公开报道，但据介绍，美国e p s o n 公司生产的用于洗衣机的s r 电机在低噪声设计方面己取 得突破，即使采用不同厂家生产的驱动系统，都能保持低噪声运行。因此，依目前对s r 电机噪 声机理的理解和研究以及所采用的噪声消除技术来看，仍有很多工作要作，而对s r 电机振动和 噪声妄下结论还为时过早。 1 3 4 新型s r d 系统的研究 s r d 系统是一种典型的单边单励机电能量转换装置，其运行原理是载流绕组产生的磁通要 走磁阻最小的路径，利用双凸极结构磁导变化而产生磁阻转矩。为了使s r 电机产生更大的转矩， 般都将s r 电机设计的比较饱和，同时采取提前关断，使s r 电机沿着更饱和的磁化曲线换相， 尽管这样设计和控制可以提高s r 电机的输出转矩和能量比，但s r 电机每次换相都将一部分磁场 储能回馈电源，不仅影响了材料利用率和性能的进一步提高，而且也使设计人员陷入了难以两 全的尴尬境地，一方面，为了追求高转矩输出，s r 电机非常饱和，绕组最大、最小电感之比要 大，另一方面，为了在一定的功率变换器伏安容量下使绕组电流变化率较小，减小对主开关器 件的冲击，同时在换相时绕组电流和磁场储能能尽快回零，又希望绕组电感变化小一些。 为了解决上述问题，从8 0 年代后期到9 0 年代，以美m l i p ota 教授为首的科研小组提出了 一种新型s r 电机结构形式，其主要思想是设法使s r 电机换相时磁场储能不返回电源。为此他们 在原有的s r 电机上增加了一个辅助换相绕组，该辅助绕组首先和所有绕组都完全耦合，以保证 换相时磁场储能能完全转移到辅助换相绕组，而不是回馈电源，其次辅助换相绕组的自感要和 - 8 一 华中理工大学博士学位论文 转子位置无关，以避免辅助换相绕组中的电流产生转矩。他们对一台三相( 6 4 ) s r 电机的仿真 分析和实验研究表明，在同样的功率变换器下新型结构可以有更大的转矩输出，更高的转速范 围和更高的效率，相应的代价是电机用铜量和转矩脉动的增加删嗍嗍。 增加辅助绕组的实质是实现s r 电机磁场的预充磁，与目前s r 电机单边单励不同，它属于单 边双励电机。目前，随着高性价比和高磁能积的稀土永磁材料的出现，众多采用电励磁的电机 都改用稀土永磁材料励磁，因此在s r 电机中采用永磁材料来替换辅助换相绕组的作用，通过控 制绕组电流的方向，使永磁体产生的磁场和绕组电流产生的磁场相互作用产生转矩，也可以大 大提高s r 电机的单位体积功率和绕组利用率。目前已有众多学者投入了这一方向的研究，并提 出了多种新型结构的s r 电机p 7 1 l s s l l s g l l g o l 。 1 a 存在的问题及发展趋势 s r d 系统的发展日新月异，在短短二十年的时间里就已取得了十分辉煌的成绩，但与具有 百年历史的直流电机、交流电机驱动系统相比，s r d 系统无论在理论研究还是在工程实践都还 存在差距。目前阻碍s r d 系统进一步普及与发展的问题主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 简单的工作原理和复杂的系统组成。典型s r d 系统由s r 电机、功率变换器，控制系 统和位置检测器组成，缺一不可。其中s r 电机的双凸极结构和高饱和运行使得传统的电机设计 方法不能适用，必须借助有限元计算软件进行设计与分析，其他组成部分则涉及到除电机设计 以外的电力电子技术、自动控制以及信号检测等多个相关领域。因此。s r d 系统的研究不仅要 对各组成部分分门别类进行研究，同时还需充分考虑各组成部分之间的相互关系，进行一体化 研究，从而大大增加了s r d 系统的研究、设计以及生产的难度。 ( 2 ) 坚固的电机结构和脆弱的位置检测器。位置信息是s r d 系统可靠运行的重要保证，目 前普遍采用轴位置检测器提供转子位置信息。虽然它结构简单，但它的存在会使s r d 系统结构 坚固这一明显区别其他驱动系统的优点变得逊色。其他一些间接式位置检测方案( 增加探测线 圈等) 也同样存在增加s r 电机结构复杂性的问题。通过检测相电流获得转子位置信息的无位置 检测器方案固然诱人，但由于s r 电机相电流波形复杂，目前还难以实现工业应用。 ( 3 ) 高转矩输出与低噪声设计。通过适当提高s r 电机饱和程度，s r 电机可以输出相当高 的转矩，然而随着转速及负载的增加，s r 电机的噪声也明显增加。s r 电机的噪声问题是s r 电 机最受争议的一个问题，尽管通过在电机结构、控制方式以及生产工艺等方面进行改进而消除 噪声的研究目前已有较大进展，但s r 电机的噪声仍未达到一个非常令人满意的水平，尚须努力 研究。 ( 4 ) s r 电机瞬时转矩控制。s r 电机瞬时转矩控制在减少s r 电机转矩脉动，提高s r d 系统 动态性能等方面具有更大优势，但从s r d 控制器的硬件系统以及建模的合理性和准确性等方面 都还需进一步研究和完善。 事实上，s r d 系统目前存在的问题，就是s r d 系统今后的发展趋势。此外，根据s r d 系统 的特点和长处，加强s r d 系统在一些特殊场合的应用与开发也是s r d 系统今后发展的一个趋势。 如在航空航天、汽车驱动，纺织行业等高转速、高功率密度等应用场合的新型s r d 系统。 - 9 - 华中理工大学博士学位论文 1 5 本文的主要工作及章节安排 本文以s r d 系统的一体化研究与实践为题，通过对s r d 系统的全面研究，建立s r d 系统场 路直接耦合数学模型，为s r d 系统的一体化研究与实践奠定基础。通过对s r d 系统多相运行研 究，对目前有关s r d 系统相间耦合效应的不全面认识进行补充和完善。对s r d 系统控制技术进 行深入研究，为研制s r d 系统提供明确的理论指导。提出一种新型s r d 系统，并进行样机研制 和实验，验证本文在对s r d 系统理论研究和工程实践中所取得的成果。 全文内容安排如下： 第一章论述课题的目的和意义，介绍s k i ) 系统的发展过程和研究概况，并对s r d 系统存在 的问题和发展趋势进行分析和总结，最后介绍本文的主要工作和章节安排。 第二章在综述各种s r d 系统数学模型的基础上，提出s r d 系统场路直接耦合数学模型，详 细论述s r d 系统场路直接耦合数学模型的建立和直接消元算法，为s r d 系统的一体化研究与实 践奠定基础。 第三章采用s r d 系统场路直接耦合数学模型对s l i d 系统多相运行进行分析与研究。针对不 同定子磁极极性分布的s r 电机的多相运行进行一体化仿真分析，充分揭示s k i ) 系统多相运行时 复杂的相间耦合效应。 第四章系统研究s r d 系统控制技术。分析和比较各种功率变换器的拓扑结构，提出一种改 善s r d 系统换相问题的新型互感换相型拓扑结构。论述基于微处理器的s r d 系统两种基本控制 方式绝对位置控制和相对位置控制以及它们的适用范围。分析位置信号的三种误差形式， 为消除位置信号误差，改善位置检测器结构设计提供理论指导。 第五章进行新型s r d 系统的研制和实验。主要内容包括采用新型互感换相型拓扑结构的功 率变换器的设计与研制，以8 0 9 8 单片机为核心的控制器的软、硬件设计，可以明显减小零位误 差、相位误差的位置检测器的结构设计以及新型s r d 系统的负载实验。 第六章总结全文的研究内容，并对未来工作进行展望。 - 1 0 - 华中理工大学博士学位论文 第2 章s r d 系统场路直接耦合数学模型 s r d 系统场路耦合数学模型为深八研究s r d 系统，尤其是对s r d 系统的多相运行的研究，提供了使利然 而场路耦合模型的建立和实现比较复杂，难以实用本文详细论述了s r d 系统场路耦合数学模型的建立和直接 消元算法提出了s r d 系统功率变换器的电压舜等效电路模型、用于求解经直接消元得到的大型线性方程组 ( a + t ) x = b 的m i e c g 法以及一种考虑转干运动的有限元前处理方法，使s r d 系统场路直接耦合数学模型得以 实用化 2 1s i m 系统数学模型综述 典型s r d 系统由s r 电机、功率变换器、控制器以及位置检测器等四部分组成其中s r 电机 为双凸极结构，由单极性非正弦电流驱动，并设计成高度饱和以提高输出转矩。功率变换器由 电力电子器件按照一定的拓扑结构组成，向s r 电机提供能量并接收s r 电机回馈的能量。控制器 通过控制相电流幅值、导通角、关断角等变量控$ 1 j s r 电机转矩输出。位置检测器提供转子位置 信息。由于s r d 系统各组成部分之间密切相关，为了能够充分反映s r d 系统运行时的开关性、 非线性以及双凸极结构等特点，有效地对相电流和系统性能进行分析，就必须建立一个既能描 述系统各组成部分的自身特点又能描述各组成部分之间相互关系的s r d 系统数学模型。 一台m 相s r 电机，假定各相绕组结构和参数相同或对称，且忽略铁芯损耗，可以看成是有 m 个电端对的机电装置。从电端对来看，s r 电机的电压方程为： u = 础+ 旦甲 ( 2 1 ) 、do 式中， u 相电压列向量，u = 【u lu 2 u 。】i ： r 绕组电阻矩阵，r = d i a g r lr 2 r 。】； i 相电流列向量，- d lj 2 i 。】： u 转子角速度； 0 转子位置角； 甲绕组磁链列向量，玉，= l 甲2k j l ； 其中，绕组磁链、王，k 既是相电流i 的函数，又是转子位置角0 的函数，即 h = 甲u i j 。0 j ，k = 1 。2 ，n l 因此，绕组磁链吼必须通过相电流i 和转子位置角0 共同表示。实际处理问题时，绕组磁 链v 女有多种表示形式，按照它的不同表示形式，s r d 系统数学模型可归结为电参数法，磁参数 法和场路耦合法三种。 ( 1 ) 电参数法 电参数法将绕组磁链看作是绕组电感与相电流的乘积，即： o 本文用黑体表示矩阵 一1 1 华中理工大学博士学位论文 式中，l 为绕组电感矩阵 l = 掣= l 厶ll j m l 2 1l 2 2 2 m l m l 上r 2 m ( 2 - 2 ) 将( 2 2 ) 代入( 2 1 ) ，可得以相电流i 为状态变量的电压方程： d i l - i ( ur i一aln(2-3) d t 电参数法的主要特点是物理概念明确，式( 2 - 3 ) 中，绕组电感既可以通过实验直接测量， 也可通过等效磁网络、有限元法计算。当绕组电感可以由转子位置、相电流用一解析函数表示 时，相电流的解析解可以直接由式( 2 3 ) 求出，从而使确定控制参数和进行性能分析简便易行。 缺点是需要对由实验测量或计算得到的电感矩阵进行求逆运算，不仅计算量大，而且容易导致 较大的误差。 ( 2 ) 磁参数法【5 1 磁参数法由s t e p h e n s o nmj 和c o n d aj 提出，以绕组磁链为状态变量，并将方程( 2 - 1 ) 改写 为： 杀甲= 去( v r i r 甲e j ) ( z 4 ) 式中，i ( 甲，0 ) 曲线簇由磁化曲线簇甲( i ，0 ) 反演得到。磁化曲线簇甲( i ，0 ) 通过实验测量或有 限元法计算。与电参数法相比，避免了对实验数据或计算数据的微分计算，精度较高。 从理论上来将，电参数法与磁参数法都可用于s r 电机多相运行分析，但实际上，各相电流 组合多种多样，通过实验测量或有限元法计算都不容易获得所有电流组合下的绕组电感和磁化 曲线。因此实践中更多的是将巩( i k ，e ) 反演为i k ( t p k ，0 ) ，即只用于一相通电情况。 3 场路耦合法1 4 9 场路耦台法是将s r 电机电压方程( 2 - 1 ) 与s r 电机场方程( 2 5 ) 联立求解。其中场方程( 2 5 ) 中的右端项激励包括了所有相电流所以通过磁矢位计算方程( 2 - 1 ) 中的绕组磁链时，可以自 然包括所有相电流以及转子位置的影响。因此，场路耦合法可以非常容易地用于s r 电机多相运 行分析。当采用时步法求解时，每一个计算时刻的磁场分布都被计算出来，不仅可以更加清楚s r 电机运行时的磁场分布随时间和转子位置的变化情况，而且为更深入研究诸如局部饱和，磁张 力，电磁力等问题提供了便利。 旦f 。坠1 + 旦f 。竺1 ：- j ( 2 - 5 ) 瓠la xj 订l 匆j 综上，s r d 系统数学模型根据绕组磁链的不同表现形式，可以分为电参数法、磁参数法和 场路耦合法三种。其中电参数法、磁参数法算法简单，计算量小，用于单相通电时具有较高精 度，因此在以前的s r 电机设计与性能分析以及s r 电机控制中被广泛使用。但二者在用于多相通 电情况时比较复杂，难以实用。场路耦合法无疑克服了上述两种方法的局限性，不仅可以用于s r d 1 2 华中理工大学博士学位论文 系统多相运行研究，而且可获得s r 电机磁场分布随转子位置的变化情况，为深入研究s r 电机相 间耦合等问题提供便利，是一种比较理想的数学模型。 然而，场路耦合法在实际使用中必须解决的一个问题是场路耦合方程组的求解问题。若处 理不当，不仅带来巨大的计算工作量，降低计算效率，而且可能根本无法计算。例如在文献1 4 9 1 中，先将电流i 作为已知量，进行场计算，然后根据解得的磁矢位计算绕组磁链，再代入s r 电 机电压方程看是否满足，若不满足，则不断修改相电流i 进行迭代，不仅计算量大不易收敛， 而且当考虑多相通电时，因各相电流收敛方向不一致，会导致计算更加困难，以致于场路耦合 法的优点无法显示出来。为此，本文提出一种直接消元算法以及用于求解经直接消元后形成的 大型线性方程组( a + t ) x = b 的m i c c g 法，避免了复杂、烦琐的迭代运算，使计算工作量大大减 小，计算效率大大提高，为s r d 系统场路直接耦合数学模型的实用化奠定基础。 当s r d 系统运行时，电路方程( 2 1 ) 中的相电压列向量实际上也是未知的，它要由控制参 数、绕组感应电动势以及功率变抉器的拓扑结构等众多因素共同决定，因此完全意义上的场路 耦合还须与描述功率变换器的拓扑结构的电网络方程耦合。由于功率变换器由非线性的电力电 子器件以及电容、电感等储能元件组成，其拓扑结构随开关器件的开关状态的变化而变化，若 直接与其耦合，不仅费时费力，而且难以实现。为此，本文提出功率变换器的电压源等效电路， 并引入开关函数来反映各控制参数等因素的影响，来解决与电网络方程的耦合问题。 目前，成功解决s r 电机场路耦合方程与功率变换器电网络方程间耦合问题的研究以及对场 路耦合数学模型的直接求解算法尚未有公开报道，因此，本文的研究工作不仅对s r d 系统的研 究具有巨大的推动作用，而且属首创。 2 2s a d 系统场路直接耦合数学模型 2 2 1s r 电机的场路耦合方程 2 2 1 1 基本假设 考虑l i j s r 电机的下列特点：电机轴向长度 远大于气隙；定子绕组为集中绕组，端部较短； 定子和转子铁芯采用迭片结构。故进行如下假 设： ( 1 ) 忽略电机端部效应，磁场沿轴向均匀 分布； ( 2 ) 忽略电机外壳以外的磁场，认为定子 外表面为一零磁矢位面； 图2 1s r 电机的二维有限元求解区域 ( 3 ) 忽略铁芯的磁滞效应和涡流效应。 此外，考虑到s r 电机磁场分布在一些特殊情况下并不一定完全对称，故取整个电机截面为 求解区域。图2 1 所示为一四相( 8 6 ) s r 电机的二维有限元求解区域。整个区域分为电流密度 不为零的定子绕组区域手电流密度为零的定、转子铁芯以及气隙等区域。 一1 3 一 华中理工大学博士学位论文 s r 电机每相绕组由套在径向相对的两个定子齿极上的线圈相互串联组成，每个线圈又由n 匝相互绝缘的细导线相互串联组成这些细导线线径很小，截面积s i 一般远小于一个剖分单元 的面积a ，相互间排列紧密，线与线之间间隙非常小，因此可以近似地将在定子齿极一侧的n 根细导线所在区域看作为一个面积等于所有细导线横截面积之和n s ；，流过电流等于所有细导 线流过电流之和n j 。的导电区域。由于定子齿极一侧的n 根细导线和另- n 的n 根细导线组成回 路，因此定子齿极两侧的导电区域面积相同，流过的电流也相同，但方向相反。记导电区域的 电流密度方向与磁矢位正方向( 垂直纸面向外) 相同的导电区域为正接导电区域s + ，相反则为 反接导电区域s 一，同时引入导电区域符号函数s i g n c ( s ) 用来区分，其定义如下： f 1 ，s c _ s + s i g n c ( s ) = ( 2 6 ) 【一1 ，s s 一 每个导电区域的电流密度可表示为： j = s ig r i c ( s ) 学( 2 m o c 式中，s 。为一个导电区域的面积，s 。= n s i 。 2 2 1 2 基本方程 将( 2 - 7 ) 代入( 2 5 ) 可得每个导电区域的场方程： 妄( v 剽+ 号( v 豺“等 协鼬 夏l ”刮+ 面l ”别一“肼o 亏 旺 方程( 2 - 8 ) 中的右端项中的相电流未知，为此须寻找磁矢位a ，相电流i 。和加在绕组上的 电压u k 之间的关系。根据电磁感应定律，每根细导线上的感应电动势e i 是由于每匝线圈交链的 磁通的变化产生的，故由b = v x a 1 s t o k e s 定理得： e t 一扎挚一一要f 。；警电 ， 式中，沩细导线长度，即绕组直线部分的长度。 如图2 1 所示，相绕组采用正向串